Zwei WPs in Serie (Kaskade) – Warum nicht?

Wärme - Klimatisierung - Dämmung Heizen, Kühlen, Klima, Warmwasser
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Bitte zerreißt mich nicht in der Luft, ich habe viel zu diesem Thema gelesen und kenne die gängige Meinung, welche mir aber nicht wirklich einleuchten mag.

Ich habe ein Ölheizungssystem, zusätzlich eine 3.5 kW Heizpatrone sowie eine 10kWp PV-Anlage mit knapp 30kW Speicher. Das ganze spielt sich in einem recht gut isolierten Holzhaus mit normalen Heizkörpern ab.

Da ich dazu neige, alles mit Sensoren zuzupflastern und die Daten in Datenbanken ablege, dieses dann in Grafana über lange Zeiträume darstellen kann, weiß ich, dass ich bis ca. -12 Grad Außentemperatur rein mit der elektrischen Heizpatrone das Haus beheizen kann. Dabei war die Heizpatrone im Dauerbetrieb mit einer VL-Temp von 65 Grad.

Da ich die Akkus, aber auch die PV-Anlage immer weiter ausbauen kann (3200m2 Südhang), schwebt mir vor, nun eine Wärmepumpe einzubauen. Was nicht funktioniert ist, das ich eine WP mit 55 Grad Vorlauf einsetzen kann, ohne elektrisch zuheizen zu müssen. Ich habe hierzu den VL einen Winter auf 55 Grad getestet – war nicht so pralle und der Versuch wurde bei unter 0 Grad abgebrochen.

Ich weiß, dass WPs bei höheren Vorlauftemperaturen an Wirkungsgrad verlieren, das ist ja auch logisch. Deswegen nehme ich in meiner Überlegung (s.u.) einen COP von 2 statt 3 für die 2. WP an.

Die Frage, die sich mir stellt, es muss doch einen Break-even-point geben, bis welchen dieses Konzept der zwei WP in Serie noch mehr oder minder gut funktioniert. Mir ist klar, dass die Wirkungsgrade der Heizkörper, die Isolierung des Hauses, hydraulischer Abgleich usw. eine wesentliche Rolle spielen! Deswegen nehme ich meine Werte als Referenz.

Mir geht es um die Frage, ob die Überlegung denn grundsätzlich falsch ist! Es wird viel von WP-Kaskaden geschrieben, wobei dort meist eine Parallelschaltung mehrerer WPs gemeint ist, anders als der Begriff Kaskade vermuten lassen würde – denn das wäre eine Reihenschaltung – wovon ich hier ja auch spreche.

Ich brauche also 3.5 kW Heizleistung

(Theoretische Überlegung – WPs schon ins Auge gefasst – Durchflussmengen sind berücksichtigt)

Wenn ich eine 2kW WP nehmen würde (WP Nr.2), diese mit einer VL-Temperatur von ca. 45 Grad „anfahre“, welche wiederum aus einer 1kW WP (WP Nr.1) kommen, welche ca. 30 Grad RL-Temperatur angeboten bekommt, dann müsste doch die WP Nr.2 nur ein Delta-Temp von 20 Grad machen, um auf eine VL-Temperatur des gesamten Systems von 65 Grad zu kommen. Das sieht für mich plausibel aus. Was verstehe ich nicht?

Die Überlegung:

  1. WP1 (1kW) COP = 3 (Delta-Temp = 15 Grad / 30 auf 45 Grad)
  2. WP2 (2kW) COP = 2 (Delta-Temp = 20 Grad / 45 auf 65 Grad)*(A)

*(A) COP2 wegen höherer Arbeitstemperatur / Kennlinie

Somit hätte ich für weniger elektrische Leistung (3kW statt 3.5kW) mehr Wärmemenge (4kW statt 3.5kW) und das System würde nicht dauernd laufen.

Ich kann doch nicht soooooo falsch liegen.

Es geht nicht um die genaue Werte, sonder meine Frage zielt auf das Konzept als solches ab, um eine brauchbare VL-Temperatur zu „noch“ erträglichen Kosten unterhalb eines Heizstabes zu erhalten.

Ich freue mich auf eure Antworten

LG Jörg

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Ohne das ansonsten gut bewerten zu können: Hier liegt ein kleiner Denkfehler vor. Es handelt sich um Wärmepumpen. Das bedeutet, dass die bereitgestellte Wärme von beiden in Reihe geschalteten Wärmepumpen bereit gestellt werden muss, denn jeweils gibt die Wärmepumpe warmes Wasser her und bekommt kälteres zurück. Somit müssen beide Wärmepumpen die 4 kW Ausgangsleistung haben, denn die Wärme soll ja auch ursprünglich von der Außenluft kommen. In Deinem Beispiel kann WP1 aber nur 3 kW, nicht 4.

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Anderer Kommentar:

Du brauchst nur 3.5 kW Heizlast (so lese ich das).

Du hast bereits einen Heizstab und der macht eine beliebige VL-Temperatur (unter 100 °C).

Du willst Akku und PV deutlich weiter ausbauen und hast verfügbare Fläche ohne Ende.

Schlussfolgerung aus meiner Sicht: Akku und PV ausbauen, Heizstab benutzen und wenn PV doch mal nicht ausreicht, nimmst Du Strom aus dem Netz.

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Mal anderer Ansatz:

Lüfter unter den Heizkörpern? Ich hab das in unserem alten Mietshaus gemacht und war recht erstaunt von den Ergebnissen. Ich hab es fest auf 12v betrieben(macht aber lautstärkere technisch keinen Spaß). Bei mir war der vorhandene Heizkörper im Bad zu klein dimensioniert. Und wir hatten keine aktive Lüftung wodurch wir immer Schimmel hatten weil Luftfeuchtigkeit im Winter zu hoch. Mit den Lüftern kriegt man halt mehr schneller die Energie aus den Heizkörpern gezogen und könnte in deinem Fall vielleicht weiter runter mit dem Vorlauf.

Ich bastel mittlerweile recht viel mit esphome und da kann man recht einfach was basteln das pc Lüfter mit pwm anzusteuern. Alternativ nicht ganz so overengeniert ? 6-12v schwellwertschalter an die Heizung kleben und ab 30 grad Lüfter an bei 28 wieder aus. :wink:

zur wp:

ich glaub hintereinander kann das nicht funktionieren. Aber schau doch mal nach wie „kalt“ dein Rücklauf zurück kommt. Dann weißt du ja um wieviel grad du ihn wieder erhöhen musst. Dann einlesen bei Panasonic aquarea und ein 5kw Modell holen. Wird sicher effizienter laufen als ein Heizstab. Auch bei 55 grad. Die kannst du ja so einbinden das heizstab und/oder öler auch laufen können. Aber deine tests mit dem heizstab sind doch hundert pro komplett übers Netz gelaufen oder? Ne 10kw pv mit Akku liefert ja niemals im Dezember genug um annähernd Überschuss zum heizen zu haben… da ist es ja 3x billiger mit Öl zu heizen

ansonsten kann man noch drüber nachdenken Heizkörper gegen größere zu tauschen..

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Die Rechnung ist systematisch falsch - es wurde nämlich das Delta T nicht richtig berechnet.

Der Temperaturunterschied Delta T, der die Leistungszahl (COP) eine Wärmepumpe bestimmt, ist NICHT die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf. Es ist vielmehr die Differenz zwischen der Temperatur des kalten Wärmereservoirs und der Vorlauftemperatur. Ersteres ist im Fall einer Luft-Wasser-WP (und um eine solche geht es vermutlich) die Temperatur der Außenluft. Im tiefsten Winter also die Differenz zwischen -12°C und 65°C. Diese hohe Differenz zieht Dir den COP nach unten. Den Temperaturhub auf 2 Schritte zu verteilen, behebt dieses Problem nicht.

Empfohlene Lektüre: Wirkungsgrad eines Carnot'schen Kreisprozesses nachlesen.

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@schup011

Vielen Dank für deine Antwort. Ziel soll es natürlich sein, so wenig wir möglich an elektrischer Leistung für die gewünschte VL_Temperatur zu benötigen, desto länger kann ich mit den Akkus "schlechte Tage" überbrücken, ohne auf den Netzanbieter zu fallen.

Aber es ging mir tatsächlich darum, meinen vermuteten Denkfehler endlich mal aus dem kleinen widerspenstigen Kopf zu bekommen - bin sonst eigentlich nicht sonderlich begriffstutzig.

Dennoch , vielen Dank für deine Antwort :slight_smile:

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@alexx

Vielen Dank - Aber genau da ist der Knackpukt! Es ist eben ein "ich glaube" und eine theoretische Berechnung. Und was das Delta-Temperatur angeht, so meinte ich das genau so, wie ich es geschrieben habe, denn um ein Reservoier geht es hier überhaupt nicht, sondern um die reine theoretische Betrachtung der Temperaturanhebung einer Luft-Wasser-Wärmepume in Bezug auf Vorlauf / Rücklauf unter Berücksichtigung des COP im angemommenen Temperaturbereich.

Die 1. WP würde tatsächlich in einem ganz normalen COP 3 - Bereich arbeiten, wie oben beschrieben, die 2. WP aber nicht, deswegen ist der Wirkungsgrad ja auch vermutlich (ja sogar sicher) wesentlich geringer - aber die Frage bleibt - reicht das theoretisch ?

Ich gucke mal, was da noch für Antworten kommen. Im Zweifel ist meine Neugierde geweckt und werde es tatsächlich mal aufbauen. {green}:wink:

Ich finde den Gedanken nach wie vor sehr interessant.

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@janosch1337

Du hast interessante Gedanken, gefällt mir. Ich mache auch enorm viel mit ESP32, aber auch mit Python SQL und allem, was ich so brauche, auch in Elektronik. Die Gedanken kenne ich und gerade die Lüfter unter den Heizlkörpern funktioniert sehr gut, hatte das auch mal probiert.

Ich möchte das aber dennoch einmal kurz aufklären: es geht mir hier nicht in erster Linie um das Optimieren meiner Anlagen, was bei mir sonst immer auf offene Ohren stößt, es geht mir wirklich hauptsächlich darum, zu verstehen, warum das Konzept nicht funktionieren soll - nur eine Uni-Sono-Mainstreammeinung nehme ich ungern an.

Gerade was Ideen angeht, habe ich einiges von Andreas auch schon "nachgemacht" - (Luft-Luft-WP als Heizung u.ä.), allein um zu sehen, ob es auch bei mir funktioniert. Bin also keineswegs ein unbeschriebenes Blatt. (Übrigens -> Dank an Andreas - bin immer schwer begeistert)

Ich denke, dass es was meine These angeht, tatsächlich auf einen realen Versuch ankommt, welchen ich aber dann erst im nächsten Jahr angehen kann, denn auch ich muss haushalten - aber meine Neugierde besteht noch weiterhin.

In jedem Fall vielen Dank für Deine Antwort

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Wenn hohe Vorlauftemperaturen mit der WP dein Ziel ist, dafür gibt es ganz einfach die T-Cap Serie von Panasonic.

Die läuft bis 70°C Vorlauf hoch. Andere Hersteller haben ähnliches.

Wobei die Variante mit den PC-Lüftern unter den Heizkörpern auch bei mir eine enorme Absenkung ermöglicht hat.

Mit der alten Gasheizung lag ich etwa bei 45°C Minimumtemperatur um die Bude im Kernwinter warm zu bekommen.

Mit Wärmepumpe und Lüftern, auf halbe Drehzahl, brauche ich nur noch maximal 35° und das im nur teilsanierten Altbau.

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Ich verstehe den Ansatz auch nicht, wählt man eine Anlage mit dem richtigen Kältemittel, z.B. R290, sind 70°C kein Problem. Da gibt es einige Wolf, Vissman, Vailant, Panasonic ...

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@alexx hat hier recht. Vielleicht liegt der Denkfehler das als nicht korrekt anzusehen in der Sache, dass man denkt in jedem Durchlauf der Umwälzung würde das Wasser von 20 auf 65 Grad aufgeheizt. Das ist falsch. Die Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der WP ist immer sehr gering. Im Bereich von ein paar Grad. Und so wird mit den vielen Umwälzungen das allgemeine Temperaturniveau des Heizwassers angehoben. Deshalb ist die Betrachtung der Kaskade ganz am Anfang dargestellt

grundlegend die falsche Annahme. Es ist eher eine Temperaturdifferenz von Eingang zu Ausgang je WP von 1-3 Grad. Dieser Temperaturhub ist irrelevant für die Effizienz. Relevant ist nur die Differenz wie von @alexx dargestellt.

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Hi,
Ist nicht der Temperaturgradient von Außenlufttemperatur (mit dem die WP ja das Wasser wärmt) zu gewünschter Wasserwärme wichtiger?
Die Außentemperatur bleibt ja die gleiche bei WP 1 und WP2 (d.h. zwischen 0 Grad Außentemperatur und 65 Wassertemperatur ist Delta T bei beiden WP gleich,
egal ob jetzt von 10 auf 30 oder von 30 auf 65 Grad geheizt wird). Das einzige was eine Kaskadisierung bringen könnte wäre eine Erhöhung der Leistung, aber nicht eine Erhöhung der Effizienz (ausgegangen von vergleichbaren Anlagen COP usw.).
Sofern du eine andere Außenlufttemperatur hättest bei den 2 verschiedenen Wärmepumpen evtl. eine Überlegung (z.B. eine steht im Osten, eine im Süden und wird somit je nach Tageszeit von der Sonne anders gewärmt). Wenn es sich um Brauchwasserwärmepumpen handelt, gilt eigentlich noch immer das die Temperaturdifferenz zwischen Luft und gewünschter Wassertemperatur gleichbleibt bei beiden WP.

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naja, wenn im süden montiert und die sonne draufsteht, interessiert das die WP nur gering, wichtig wäre im süden die luft wärmer zu haben aus der die anlage ihre wärmeenergie bezieht. halte ich für unwahrscheinlich das es da soo grosse unterschiede gibt.

da wäre ein wintergarten entsprechender grösse oder ein gewächshaus eher angebracht :slight_smile: